Bagaimana cahaya berinteraksi dengan materi?

Pernahkah kita memikirkan mengapa logam berkilau, mengapa gelas transparan, dan mengapa batu permata mempunyai variasi warna yang cantik? Mengapa benda-benda bisa mempunyai warna yang berbeda? Untuk dapat menjawab semua itu kita harus mengetahui interaksi yang terjadi saat cahaya mengenai materi. 

Sebelum membahas tentang interaksi antara cahaya dengan materi, marilah kita mengenal cahaya terlebih dahulu. Pertama kita harus mengetahui bahwa cahaya adalah gelombang elektromagnetik. Ini berarti selain mempunyai medan listrik, cahaya juga mempunyai medan magnet dimana arah vektor kedua medan tersebut saling tegak lurus (Gambar 1). Medan listrik pada arah vertikal sedangkan medan magnet pada arah horisontal atau sebaliknya. Medan-medan ini yang akan mempengaruhi materi, misalkan medan listrik yang menyebabkan timbulnya resonansi plasmon permukaan yang telah dibahas di sini. 

Gambar 1. Gelombang elektromagnetik pada cahaya. Arah medan magnet tegak lurus dengan arah medan listrik. 

Cahaya juga mempunyai paket-paket energi yang besarnya tergantung pada panjang gelombang (wavelength) cahaya tersebut. Pada spektrum cahaya tampak, gelombang cahaya menentukan warna. Misalnya warna merah mempunyai panjang gelombang sekitar 650 nm, warna kuning sekitar 570 nm dan warna biru sekitar 475 nm (Gambar 2). Sedangkan cahaya putih mengandung semua warna. Energi cahaya meningkat dari warna merah ke biru. Ketika cahaya tampak mengenai suatu benda, beberapa spektrum warna diserap dan yang lain diteruskan dan dipantulkan. Perbedaan dalam hal spektrum warna apa yang diserap dan spektrum mana yang diteruskan menghasilkan warna suatu benda.

Gambar 2. Spektrum cahaya tampak

Bagaimana cahaya berinteraksi dengan materi/benda menentukan sifat optik dari benda itu. Secara garis besar sifat optik yang dapat termati pada suatu materi padat dapat dibedakan menjadi tiga, yaitu pencerminan (reflection), perambatan (propagation), dan transmisi (transmission). Ketiga fenomana itu diilistrasikan pada Gambar 3.

Gambar 3. Pantulan, propagasi dan transmisi cahaya pada medium optik

Gambar 3 menunjukkan berkas cahaya yang mengenai suatu medium optik. Sebagian cahaya dipantulkan kembali dari permukaan depan, sementara sebagian yang lain masuk dan merambat ke dalam medium. Jika cahaya ini mencapai permukaan belakang, cahaya akan dipantulkan kembali atau diteruskan hingga keluar dari medium.

Saat cahaya merambat di dalam medium optik, terdapat beberapa peristiwa yang mungkin terjadi yakni pembiasan (reflaction), absorpsi dan luminesensi (absorption and luminescence), serta penghamburan (scattering). 

Pembiasan menyebabkan kecepatan perambatan gelombang cahaya berkurang dibandingkan kecepatannya di dalam ruang hampa. Penurunan kecepatan ini menyebabkan cahaya membengkok pada bidang antar muka seperti yang dijelaskan oleh hukum Snell. Walaupun kecepatannya berkurang, pembiasan itu sendiri tidak merubah intensitas cahaya. 

Absorpsi terjadi selama perambatan cahaya di dalam medium apabila frekuensi cahaya sama (resonansi) dengan frekuensi transisi atom-atom di dalam medium. Pada peristiwa ini, intensitas cahaya berkurang. Absorpsi sangat berkaitan dengan transmisi karena hanya cahaya yang tidak terabsorpsi yang akan ditransmisikan melalui medium. Absorpsi selektif pada panjang gelombang tertentu yang menyebabkan material menjadi terlihat berwarna. Misalnya rubi yang berwarna merah karena dia menyerap cahaya biru dan hijau namun tidak menyerap merah.

Luminesensi merupakan nama yang diberikan untuk peristiwa emisi spontan cahaya oleh atom yang tereksitasi di dalam medium optik. Salah satu cara agar atom mengalami eksitasi adalah dengan absorpsi cahaya. Jadi luminesensi terjadi setelah atom mengalami absorpsi walaupun tidak semua absorpsi diikuti oleh luminesensi. Karena kadang kala setelah absorpsi, atom yang tereksitasi kehilangan energi dalam bentuk panas sebelum sempat mengemisikan cahaya. Pada peristiwa luminesensi, cahaya diemisikan ke segala arah dan mempunya frekuensi yang berbeda dengan frekuensi cahaya datang. 

Penghamburan merupakan peristiwa dimana arah cahaya berubah dan kadangkala disertai perubahan frekuensinya setelah cahaya berinteraksi denga medium. Jumlah total foton tidak berubah, namun jumlah foton yang ditransmisikan akan berkurang karena foton cahaya diarahkan kembali ke segala arah. Penghamburan disebut elastik apabila frekuensinya tidak berubah, dan disebut tak elastik apabila frekuensinya mengalami perubahansetelah peristiwa scattering. Perubahan berarti foton mempunyai frekuensi yang lebih kecil/besar daripada sebelum penghamburan. Hamburan ini dikenal dengan hamburan stokes dan antistokes yang telah dibahas di sini. 

Gambar 4. Pembiasan, absorpsi dan penghamburan yang terjadi saat cahaya masuk ke dalam medium. Pembiasan tidak menyebabkan perubahan intensitas cahaya sedangkan absorpsi dan penghamburan menyebabkan cahaya yang diteruskan mempunyai internsitas yang lebih rendah daripada cahaya datang.

Selain itu, peristiwa lain dapat terjadi apabila cahaya yang merambat melalui medium mempunyai intensitas yang sangat tinggi seperti pada laser. Peristiwa ini dikenal sebagai optik tak linear. Contohnya adalah penggandaan frekuensi dimana frekuensi cahaya menjadi dua kali lipat setelah berinteraksi dengan medium optik. 

Pustaka:

https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/RadiationSafety/theory/nature.htm

https://en.wikipedia.org/wiki/Visible_spectrum
http://www.artinaid.com/2013/04/what-is-light-or-electromagnetism/

Read More

Apa itu Plasmon?

Minggu lalu saya diberi tugas untuk mempresentasikan sebuah jurnal yang menurut saya sangat sulit. Sulit karena terdapat banyak istilah terkait fisika sedangkan fisika bukanlah bidang saya. Salah satu istilah yang mengusik saya adalah "plasmon". Setelah bulan lalu sempat belajar tentang eksiton dan telah dibahas sedikit di sini, sekarang saya dihadapkan dengan plasmon. Akhirnya dengan waktu tinggal beberapa hari saya mencari informasi mengenai plasmon. Ternyata cukup sulit bagi saya untuk memahaminya. Mungkin karena ilmu fisika saya yang payah, atau mungkin juga karena pengaruh usia yang sudah uzur yang menjadikan saya sulit memahami hal-hak yang bersifat baru. 

Pengertian plasmon yang pertama kali saya dapat di internet: "plasmon adalah kuantum dari osilasi plasma". Respon saya saat membaca itu adalah "wow begitu dahsyat pengertiannya" hingga membuat saya pusing dan mau muntah (lebay mode on). Untuk istilah kuantum okelah saya sedikit mengerti tentang itu, namun istilah plasma dan osilasi itu yang kurang enak didengar di telinga saya. Setelah browsing sana sini ternyata osilasi itu sama dengan vibrasi atau getaran, walaupun sebenarnya "getaran" merupakan salah satu bentuk dari osilasi. Namun istilah "getaran" terasa lebih pas di hati. Mungkin karena buku-buku SD hingga SMA saya dulu semua memakai istilah getaran. Maka petualangan pencarian pemahaman dimulai dari istilah "plasma". Oke saya langsung saja saya tuliskan kembali beberapa pemahaman baru saya tentang plasmon yang saya dapatkan dari internet. 

Plasma merupakan bentuk keempat dari materi. Kita mungkin telah mengenal dengan baik ketiga bentuk materi yang lain, yaitu padat, cair dan gas. Secara sederhana kita dapat mengartikan plasma sebagai gas yang terionisasi. Karena terionisasi inilah plasma mempunyai sifat yang berbeda dengan gas netral. Walaupun bermuatan, namun secara keseluruhan plasma bersifat netral karena tersusun atas ion positif dan elektron yang bermuatan negatif dengan jumlah yang sama. 

Ternyata sifat plasma terdapat pada logam dan semikonduktor terdoping walaupun bentuk keduanya adalah padatan. Hal ini karena mereka mengandung ion-ion positif dengan posisi tetap pada kisi kristal dan elektron-elektron bebas yang dapat bergerak sepanjang kisi kristal (ingat model Drude?).

Proses terbentuknya plasma pada logam dapat diilustrasikan dengan gambar berikut:

Gambar 1. Terjadinya plasmon pada logam

Pada kondisi keseimbangan, elektron bebas tersebar membentuk awan elektron yang menyelubungi muatan positif dari inti atom. Jumlah muatan negatif sama dengan jumlah muatan positif sehingga secara keseluruhan logam bersifat netral (Gambar 1a). Misalkan kita mengganggu kondisi keseimbangan dengan menempatkan potongan logam itu di dalam medan listrik yang mengarah ke kiri. Maka elektron bebas akan bergerak ke kanan (Gambar 1b). Apabila medan listrik dihilangkan, maka elektron bebas akan bergerak ke kiri karena adanya gaya pemulih (muatan positif netto pada bagian kiri). Namun pergerakan elektron bebas akan melampaui kondisi keseimbangan sehingga elektron bebas akan terakumulasi di bagian kiri (Gambar 1c). Sekali lagi elektron bebas akan kembali bergerak ke kanan karena adanya gaya pemulih (muatan positif netto pada bagian kanan). Akibatnya elektron bebas akan bergerak bolak-balik melalui titik keseimbangan. Dengan kata lain, elektron mengalami osilasi ke kiri dan ke kanan relatif terhadap muatan positif inti atom yang tetap. Osilasi ini yang disebut dengan osilasi plasma.

Jadi secara singkat plasmon dapat didefiniskan sebagai osilasi kolektif dari elektron valensi logam. Disebut kolektif karena ini merupakan pergerakan gabungan elektron-elektron, bukan hanya disebabkan oleh pergerakan elektron tunggal. Karena berosilasi, tentunya plasmon mempunyai frekuensi yang besarnya tergantung pada densitas elektron bebas yang dipunyai oleh logam itu.

dimana ω_p = frekuensi plasmon, n_e = densitas elektron, e = muatan elektron, m* = massa efektif elektron dan ε₀ = permitivitas ruang bebas.

Plasmon menentukan sifat optik dari logam. Cahaya yang mempunyai frekuensi lebih rendah daripada frekuensi plasmon akan dipantulkan karena elektron pada logam akan menahan (screen) medan listrik dari cahaya. Sebaliknya cahaya yang mempunyai frekuensi di atas frekuensi plasma akan diteruskan karena elektron tidak cukup cepat untuk merespon medan listrik dari cahaya. Pada kebanyakan logam, frekuensi plasma berada pada daerah ultraviolet sehingga membuat logam berkilau (reflektif) terhadap sinar tampak. Pada Gambar 2 terlihat bahwa reflektifitas berkurang drastis saat energi foton melewati energi plasmon.

Gambar 2. Reflektivitas aluminum sebagai fungsi dari energi foton.

Pada beberapa logam seperti tembaga, perak dan emas, terdapat transisi antar pita d ke s yang bercampur dengan resonansi plasmon dengan cara tertentu sehingga menggeser resonansi plasmon ke energi lebih rendah hingga pada spektrum cahaya tampak.

Resonansi Plasmon Permukaan (Surface Plasmon Resonance = SPR)
Ketika nanopartikel emas (AuNPs) menyerap cahaya, medan elektromagnetik dari cahaya menyebabkan polarisasi elektron pita konduksi (elektron bebas) pada permukaan nanopartikel. Karena medan elektromagnetik cahaya berosilasi maka polarisasi elektron juga mengalami osilasi. Osilasi ini dinamakan plasmon permukaan (surface plasmon). Karena plasmon permukaan mempunyai frekuensi yang sama dengan frekuensi cahaya maka disebut resonansi plasmon permukaan (SPR).

Gambar 3. Osilasi plasmon permukaan pada nanopartikel emas

Frekuensi SPR sangat tergantung ada ukuran dan bentuk nanopartikel. Pada nanopartikel emas yang berbentuk bola hanya ada satu frekuensi SPR sekitar 520 nm. Pada emas nanorod terdapat dua frekuensi SPR yang berhubungan dengan pita transversal dan longitudinal.

Gambar 4. Osilasi elektron pada nanorod

Frekuensi plasmonik pada nanopartikel sangat sensitif terhadap perubahan lingkungannya sehingga dapat digunakan sebagai sensor.

Gambar 5. Ilustrasi konsep dasar yang melandasi sensor analit dengan material nanoplasmonik. Pergeseran posisi puncak plasmon pada spektra ekstinsi terjadi setelah analit berinteraksi dengan ligan yang berada pada permukaan nanopartikel.

http://www.stratech.co.uk/cytodiagnostics-inc/gold-nanoparticle-properties
http://rsfs.royalsocietypublishing.org/content/3/3/20130006
https://www.ifm.liu.se/applphys/molphys/research/biosensing_using_nanopart/index.xml
Fox, Mark. Optical Properties of Solids. Oxford University Press.

Read More